微內(nèi)核到底是什么？一文帶你認(rèn)識微內(nèi)核

UNIX以及類UNIX系統(tǒng)如Linux都是典型的宏內(nèi)核設(shè)計，也就是把所有系統(tǒng)服務(wù)都放到內(nèi)核里，因為系統(tǒng)服務(wù)代碼之間存在大量數(shù)據(jù)交換和大量的服務(wù)請求，而在同一個代碼段內(nèi)進(jìn)行函數(shù)調(diào)用(C語言)或跳轉(zhuǎn)(匯編或者機器碼時代)是最直接、高效的方法，在同一片地址空間也方便數(shù)據(jù)交換，所以這樣的宏內(nèi)核設(shè)計是很自然的。

但是隨著UNIX內(nèi)核功能的拓展(文件系統(tǒng)、TCP/IP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧、進(jìn)程管理、內(nèi)存管理、驅(qū)動程序等)，UNIX內(nèi)核代碼也相應(yīng)增加了很多，進(jìn)而在可維護(hù)性.穩(wěn)定性，安全性方面面臨一些挑戰(zhàn)。為了試圖解決這些挑戰(zhàn)，人們開始嘗試使用微內(nèi)核的思想來設(shè)計系統(tǒng)內(nèi)核。

宏內(nèi)核系統(tǒng)相關(guān)的服務(wù)基本都是放于內(nèi)核態(tài)內(nèi)核中，例如文件系統(tǒng)、設(shè)備驅(qū)動、虛擬內(nèi)存管理、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧等；而微內(nèi)核則把更多的系統(tǒng)服務(wù)（例如文件系統(tǒng)、POSIX服務(wù)、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧甚至外設(shè)驅(qū)動）放到用戶態(tài)應(yīng)用，形成一個個服務(wù)，等待其他應(yīng)用的請求。而后來，為了在宏內(nèi)核與微內(nèi)核之間揚長避短，也發(fā)展出了中間的混合內(nèi)核的形態(tài)，部分服務(wù)也會放置于內(nèi)核中。

三代。

這個時候由于UNIX系統(tǒng)廣泛使用帶來的商業(yè)利益，此時BSD系統(tǒng)開發(fā)者與UNIX的擁有者AT&T陷入了法律大戰(zhàn)，Mach使用的BSD相關(guān)代碼有了法律風(fēng)險。提升性能的期望和規(guī)避法律風(fēng)險的需求推動著Mach 3.0的開發(fā)，Mach 3.0的開發(fā)目標(biāo)主要是為了替換BSD系統(tǒng)服務(wù)，同時盡量多地將系統(tǒng)服務(wù)放到內(nèi)核之外去運行，成為名副其實的微內(nèi)核設(shè)計。經(jīng)過眾多開發(fā)者3年的努力，Mach 3.0于1990年發(fā)布，但是由于在系統(tǒng)服務(wù)之間完全使用IPC通信，而不是向宏內(nèi)核那樣直接進(jìn)行函數(shù)調(diào)用，即便是多處理器機器上運行也性能損失慘重，Mach 3.0最多比UNIX損失 67% 運行效率，這導(dǎo)致Mach 3.0以及其所代表的第一代微內(nèi)核設(shè)計被看衰。此后斷斷續(xù)續(xù)有在Mach的基礎(chǔ)上對性能進(jìn)行提升的嘗試，但是均不太理想，至此Mach成為了微內(nèi)核第一代先驅(qū)者。

第二代微內(nèi)核的代表除了有L4內(nèi)核，也還有其他微內(nèi)核比如Exokernel、Rambler等，不過商業(yè)上最成功的則是目前黑莓公司旗下的QNX系統(tǒng)所使用的Neutrino內(nèi)核（QNX，1980年誕生，最初以QUICK UNIX為名，后改為QNX；2004年QNX被Harman國際收購；2010年Harman國際下被黑莓收購，QNX成為黑莓旗下的資產(chǎn)），QNX主要為高可靠領(lǐng)域提供解決方案，比如交通、能源、醫(yī)療、航天航空等。

空間的概念，進(jìn)程在使用IPC請求系統(tǒng)服務(wù)時必須具備相對應(yīng)的能力，進(jìn)程持有不可偽造的令牌來表示擁有請求某種服務(wù)的能力。令牌可以被復(fù)制，可以被轉(zhuǎn)移，還可以通過IPC進(jìn)行傳輸。令牌其實是一個指向存在于內(nèi)核空間內(nèi)核對象的指針，所以普通進(jìn)程并不能修改自身以及其他進(jìn)程的權(quán)限分配，但是內(nèi)核可以對令牌指定的權(quán)限進(jìn)行控制，從而保證了用戶態(tài)不能繞過能力空間

這個機制對系統(tǒng)服務(wù)造成濫用。

seL4還是第一個完全通過形式化驗證的內(nèi)核，通俗說形式化驗證就是在數(shù)學(xué)軟件的幫助下使用數(shù)學(xué)語言自動化地推導(dǎo)檢查系統(tǒng)的每一個運行狀態(tài)。

空間管理功能。zircon區(qū)別于以進(jìn)程或者以文件為核心的設(shè)計，zircon是以內(nèi)存為核心來設(shè)計的，內(nèi)存在zircon中是以對象的方式存在，可以通過channel通信機制傳遞虛擬內(nèi)存對象（Virtual memory object）的句柄，進(jìn)程拿到句柄后可以把這塊內(nèi)存映射到自己的空間

。

Minix系統(tǒng)則由荷蘭阿姆斯特丹的Vrije大學(xué)的Andrew S.Tanenbaum教授所開發(fā)。該系統(tǒng)大的特點是可以故障隔離，自動重啟失敗的服務(wù)。Minix使用分層設(shè)計，最底層的微內(nèi)核提供中斷處理、進(jìn)程管理、進(jìn)程通信等服務(wù)，這一層運行在內(nèi)核態(tài)；中間層提供輪回服務(wù)(Reincarnation Server)、文件服務(wù)、進(jìn)程管理、X圖形服務(wù)以及驅(qū)動等，這一層運行在用戶態(tài)；最上層為用戶進(jìn)程。其中輪回服務(wù)負(fù)責(zé)在中間層的服務(wù)出現(xiàn)崩潰時重啟這些服務(wù)，從而保證服務(wù)的自我修復(fù)。Minix由于其自我修復(fù)特性被英特爾管理引擎（ME）所選用，該管理引擎主要負(fù)責(zé)管理英特爾芯片的內(nèi)部模塊。

優(yōu)點

1-系統(tǒng)服務(wù)模塊化，可移植性高；

2-內(nèi)核安全性提高(模塊內(nèi)部的bug不影響內(nèi)核穩(wěn)定，將黑客利用軟件漏洞造成的破壞限制在單個模塊內(nèi)部)；

3-可以多套系統(tǒng)服務(wù)共存，相當(dāng)于同時運行多種操作系統(tǒng)；

4-穩(wěn)定統(tǒng)一的接口(可以獨立維護(hù)私有驅(qū)動以及服務(wù)，不需要跟內(nèi)核源碼綁定)；

5-在商業(yè)上，微內(nèi)核可以避免代碼受到一些開源協(xié)議的影響，比如GPL協(xié)議；

6-內(nèi)核精簡，可以進(jìn)行形式化驗證，利用數(shù)學(xué)證明內(nèi)核的安全性；

7-數(shù)學(xué)可證明的實時性；

8-非常適合多處理器系統(tǒng)設(shè)計，在多處理器核心計算機上，互相依賴的系統(tǒng)服務(wù)可以同時運行；

缺點

1-通過進(jìn)程通信的方式交換數(shù)據(jù)或者調(diào)用系統(tǒng)服務(wù)，而不是使用系統(tǒng)調(diào)用，造成額外的操作系統(tǒng)開銷；

2-使用一些頻繁使用的系統(tǒng)服務(wù)時，比如網(wǎng)絡(luò)收發(fā)數(shù)據(jù)，造成的進(jìn)程上下文切換對操作系統(tǒng)來說也是一個負(fù)擔(dān)；

3-由于系統(tǒng)服務(wù)高度模塊化，系統(tǒng)服務(wù)之間存在大量的內(nèi)存復(fù)制；

4-對互相之間存在復(fù)雜調(diào)用關(guān)系的系統(tǒng)服務(wù)，難以設(shè)計通信接口；

5-系統(tǒng)服務(wù)與內(nèi)核在地址空間上分離，造成代碼局部性差，降低了cache命中率；

本文題目：微內(nèi)核到底是什么？一文帶你認(rèn)識微內(nèi)核
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